生物相容性与可蒸馏溶剂预处理混合生物能源原料的效能比较及其对生物燃料生产的影响

本研究针对木质纤维素生物质解构过程中溶剂选择的难题，比较了生物相容性离子液体胆碱赖氨酸盐([Ch][Lys])与可蒸馏溶剂乙醇胺对混合原料(杨树、柳枝稷和高粱)的预处理效果。研究发现乙醇胺预处理显著提高葡萄糖产率(22.0-52.7%)，溶剂去除效率达99.8%，且水解产物生物相容性更佳。该研究为开发可回收、生物相容的溶剂体系提供了重要参考，对可持续生物能源生产具有重要指导意义。

　　

随着全球对可持续能源需求的增长，利用木质纤维素生物质生产生物燃料成为研究热点。然而，生物质固有的顽固性(recalcitrance)成为高效转化的主要障碍。虽然已有多种预处理方法被开发，但如何选择既能提高酶解效率又经济可持续的溶剂仍是巨大挑战。这就像试图打开一个复杂的"生物锁"，需要找到最合适的"钥匙"——既能有效解构木质纤维素结构，又不会对后续工艺产生负面影响。

在这一背景下，来自Joint BioEnergy Institute的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表研究，比较了两种不同类型的溶剂：生物相容性离子液体胆碱赖氨酸盐([Ch][Lys])和可蒸馏溶剂乙醇胺。这两种溶剂代表了当前预处理技术的两个发展方向——[Ch][Lys]以其生物相容性著称，可实现"一锅法"连续处理；而乙醇胺则因其可回收性备受关注。特别值得注意的是，研究首次系统评估了这些溶剂对混合原料的处理效果，这在实际生产中具有重要意义，因为单一原料供应往往受季节性和价格波动影响。

研究人员采用了多种关键技术方法：首先对杨树、柳枝稷和高粱三种原料进行标准化预处理；随后分别使用[Ch][Lys]和乙醇胺进行溶剂处理；通过高效液相色谱(HPLC)定量分析糖化产物；利用工程化红冬孢酵母(Rhodosporidium toruloides)评估水解产物的生物相容性；并采用X射线衍射和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析预处理后生物质的结构变化。

3.1 生物质组成分析

研究首先对三种单一原料及其混合物进行了组分分析。结果显示杨树具有最高的葡聚糖(glucan)含量(44.7%)，而高粱和柳枝稷则含有更多的木聚糖(xylan)(19.9-20.3%)。混合原料的组成呈现中间值，表明混合处理不会显著改变原料的基本特性。

3.2 未经预处理或水预处理的生物质酶解

对照实验显示，未经处理的原料酶解效率很低(葡萄糖产率10.6-23.7%)，水预处理虽有所改善但仍不理想(葡萄糖产率19.7-45.3%)，这凸显了化学预处理的重要性。

3.3 [Ch][Lys]预处理后的酶解

[Ch][Lys]预处理显著提高了糖化效率，其中高粱表现最佳(葡萄糖产率70.3%)。然而，混合原料的处理效果出现波动，特别是三元混合物(杨树:柳枝稷:高粱)的糖产率最低(葡萄糖55.4%，木糖52.8%)，表明[Ch][Lys]对混合原料的处理存在局限性。

3.4 乙醇胺预处理后的酶解

相比之下，乙醇胺预处理展现出更优异的性能。单一原料中高粱的葡萄糖产率达85.7%，而三元混合物的表现尤为突出(葡萄糖84.6%，木糖76.6%)。溶剂去除效率超过99.8%，且结晶度指数(CrI)从50.7%提高到59.0%，表明其有效破坏了木质纤维素结构。

3.5 水解产物的微生物转化

使用工程化红冬孢酵母进行的发酵实验显示，乙醇胺预处理产物的生物相容性更佳，比[Ch][Lys]处理组产生更多的双萜烯(bisabolene)(3.59 vs 1.81 g/L)，且糖转化率均超过99.9%。

研究结论部分强调，乙醇胺凭借其优异的糖化效率(提高22.0-52.7%)、近乎完全的溶剂回收率(>99.8%)和良好的生物相容性，成为更具工业化潜力的选择。特别是对混合原料的处理优势，使其能够应对实际生产中原料多样化的挑战。而[Ch][Lys]虽然实现了一体化处理，但在效率和适应性方面存在不足。这项研究为生物质预处理技术的选择提供了重要依据，特别是证明了可蒸馏溶剂在处理混合原料方面的独特优势，对推动可持续生物能源生产具有重要意义。未来研究可进一步探索两种溶剂的协同效应，并开展技术经济评估以优化工艺。